从大哥大到iPhoneXS,实际是天线技术的退化

在刚刚结束的MWC 2019上，5G手机已然红遍巴塞罗那，成了当下最热门的话题。而对于每一台5G手机来说，其天线设计都至关重要。

MIMO、载波聚合、波束赋形等5G新技术的应用，将会为手机天线的设计与制造带来一系列新挑战，而手机天线的变化又将反过来影响5G手机的整体设计。

一、新频段、新技术，推动5G天线升级

天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。

一般情况下手机天线长度一般为波长的1/4~1/2，因此传播频率越高，天线的长度越短;且对应于不同应用将会使用不同的天线。

1、新频段

目前，3GPP已经指定了5G NR支持的频段列表，主要分为Sub-6(低于6GHz频段)和毫米波(mmWave，30GHz-100GHz)这两大频率范围。

由于Sub-6与毫米波这些新频段的加入，5G手机也势必将引入新的天线。

2、新技术

5G的主要通信技术有Massive MIMO、载波聚合、波束赋形等，配合这些技术，终端天线也将发生一系列的变化。例如，MIMO技术的应用将会明显增加天线数量。

MIMO技术简单解释如下：它是通过使用多个发射、多个接收天线，在单个无线信道上同时发送和接收多个数据流的技术，能用于提高移动设备带宽、增加数据吞吐。

MIMO的阶数代表可以发送或接收的独立信息流数量，它直接等同于所涉及天线的数量;阶数越高，链路支持的数据速率也越高。

MIMO系统通常涉及基站发射天线数量以及用户设备接收天线数量。例如，2×2 MIMO意味着同一时刻在基站有两个发射天线，在手机上有两个接收天线。

其实，历代的无线通信技术都会使用先进的天线技术来提高网络速度：

1)3G时代使用了单用户MIMO技术，它从基站端同时发送多个数据流给用户。

2)4G时代使用的是多用户MIMO技术，它为多个不同用户分配不同数据流，相比于3G大大提高了容量和性能。

3)而5G时代将会使用的是大规模MIMO(Massive MIMO)技术，进一步将容量和数据速率提高到20Gbps。

二、从大哥大到小触屏——手机天线发展史

从手机诞生以来，通信频率在逐渐从最初的kHz发展到了GHz频段，而天线的尺寸也经历了从大到小，从外置到内置的变化。

除了通讯功能之外，手机的Wi-Fi、蓝牙、GPS、NFC等功能，都需要用到不同的天线，甚至于最近逐渐火起来的无线充电，用的充电线圈也是一种天线。

我们先从通讯功能说起。最早的手机天线是四分之一波长天线，它是一根单独的天线，也叫做套筒式偶极天线。

由于最早的1G手机频段为800MHz，所以天线的长度有9.4cm。这种天线已经在目前使用的手机上很难见到，而是被大量的用在无线LAN接入点上。

20世纪90年代的2G手机天线则有两个天线单极和螺旋，只能支持单个频段。诺基亚1011和摩托罗拉M300只能支持单个频段的通信。

1997年，摩托罗拉发布了首个双频GSM手机mr601，可以支持GSM900和GSM1800双频，因此有螺旋和鞭状两根天线。

1999年诺基亚推出了Nokia 3210，是一个完全内置的天线，可以支持GSM900和GSM1800双频。

2004年推出的3G Nokia 6630手机，可以真正意义上支持全球漫游，是第一个双模三频段手机，所使用的天线也是多天线内置。

此后，手机逐渐往小型化和个人化发展，为了配合整体设计，天线的设计也更加紧凑化。

对于目前的手机及来说，印制天线被广泛用在终端中，相比于其他安装式天线更加小巧轻薄。从组成上看，印制天线内部有介电材料和接地平面，设计时需要考虑高效率、高增益和辐射模式。

三、Sub-6天线：尺寸不变，数量增加

天线是一根具有指定长度的导线，可以制造在PCB和FPC上。

目前主流的方案是使用FPC制造可折叠式天线，它可以弯曲成任意的形状，以适应设备的小型化和便携化。

在便携设备中，如手机、平板电脑和笔记本电脑中，软板被用来制造射频天线和高频传输线。5G时代，手机天线数量的大幅度增加也会拉动软板的大幅需求。

四、毫米波：高频衰减明显，天线设计新挑战

毫米波之所以称为毫米波，是因为当频率高达几十GHz时，电磁波的波长已经缩减到了毫米级，因此毫米波通信会大大减小天线的尺寸。

但是，电磁波波长缩小会导致其绕射能力变差，衰减变得异常明显。

2018年7月23日，高通宣布推出全球首款面向智能手机和其他移动终端的全集成5G新空口毫米波及sub-6GH下射频模组，在2018年10月最新发布的QTM052模组尺寸进一步减小25%，并且满足5G NR智能手机的使用，为手机UE设计提供了更多可能。

五、毫米波天线的封装新机遇

当频率高至毫米波时，信号在空气中的衰减会变得非常严重，而在半导体材料中也是遵循这个定律。

AiP的制造是在SiP的基础上，用IC载板来进行多芯片SiP系统级封装，同时还需要用到Fan-Out扇出型封装技术来整合多芯片，使封装结构更紧凑。需要将天线、射频前端和收发器整合成单一系统级封装。

封装天线的结构自上而下依次为：天线、中间介质层(内部有空腔)、系统PCB。

为了减少天线与腔体内RF模块的耦合，在两层之间加入了一个额外的金属层，可以把它看作天线的地平面，它通过四周均匀分布的金属过孔与整个RF系统地平面连接。

六、5G手机的其他挑战

5G手机里的无线天线设计相比于以往难度更大，原因是天线设计不仅需要满足无线技术本身的要求，还要与摄像头、声音喇叭、电池、显示屏、指纹识别芯片、振子、陀螺仪以及无线充电系统兼容。

1、电池

电池性能一直是手机设计的一个重大瓶颈。从1995年到2014年，无线容量增长了大约10万倍，但是电池电量的进步速度只有四到五倍。

而在5G中设备中，由于MIMO技术和波束赋形都会带来能量消耗的进一步提高，电池性能问题会在后4G和5G时代变得更加突出。

2、SoC

5G时代的SoC设计也受到限制，主要原因是进入纳米级制程后摩尔定律速度放缓。因此，能量效率的提高变得并不显著会继续为制约5G手机的设计。

目前看来，新材料制程，如基于传统硅的三五族化合物，基于SOI的CMOS工艺，FinFET、SiGe以及InP可能会在5G SoC设计中贡献力量。

3、PCB板

5G手机的多层板设计也需要更加紧凑，并且需要集成进入更多的SoC芯片组来增加各种应用、配合新标准和技术。

4、手机后盖

手机外壳会对天线性能产生重大影响，手机中的天线设计是应该考虑到金属外壳、手机壳等的复合设计。

窄边框和金属壳是目前手机的主流趋势，因为具有保护性能好、美观、可携带以及散热方面的优势。毫米波天线由于本身尺寸很小在空间排不上难度不大，但是手机金属壳会严重影响天线性能。

5、金属微波屏蔽罩

在整个5G手机系统设计的方面一个更严峻的问题是部件之间的连接和隔离。例如显示屏面板可以导致RF敏感度下降，因此金属微波屏蔽罩需要放在显示单元和硬件之间，可以减少显示器辐射。

手机内部的显示器、高压包和电路板等元器件在工作时发出高强度的电磁辐射，屏蔽罩可以起到屏蔽的作用，将部分的电磁波拦在罩内，从而保护使用者受电磁辐射的危害，同时避免对周围其它电器的干扰、在一定程度上还确保了元器件免受灰尘，延长显示器使用寿命。

无天线不5G。5G所使用的新频段、新技术都将为手机天线的设计与制造带来一系列新挑战，而手机天线的变化又将反过来影响5G手机的整体设计。与此同时，手机终端的小型化、智能化，以及窄边框、金属边框的流行，都将成为5G天线设计的难点。